Abstandsmeßgerät
[0001] Die Erfindung betrifft ein Abstandsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
[0002] Derartige Abstandsmeßgeräte (DE-OS 34 29 062) dienen dazu, beispielsweise im Bereich
von 2 bis 10 m liegende Abstände von dem Abstandsmeßgerät auf elektronischem Wege
zu messen, wobei die Meßgenauigkeit im Bereich einiger mm liegt. Auf diese Weise können
die Füllstände von Behältern oder beispielsweise auch die Füllungsgrade von Regalen
meßtechnisch erfaßt und auf elektronischem Wege zu einer Zentrale gemeldet werden.
[0003] Normalerweise verwenden derartige Abstandsmeßgeräte einen Meß- und einen Referenzempfänger,
was die Gefahr eines unterschiedlichen Driftens der beiden Empfangsschaltungen mit
sich bringt und außerdem zu nachteiligen Einflüssen unterschiedlicher Sperrschichtkapazitäten
bzw. Reaktionszeitänderungen der beiden für den Empfang verwendeten Photodioden führt.
Die Verwendung nur einer Lichtsendediode bringt andererseits das Problem mit sich,
daß ein Übersprechen zwischen Meß- und Referenzstrecke nicht ausgeschlossen werden
kann.
[0004] Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Abstandsmeßgerät der eingangs
genannten Gattung zu schaffen, bei dem die Empfangsschaltung driftunempfindlich ist,
das Signal/Rauschverhältnis verbessert wird und mit dem eine extrem hohe Übersprechdämpfung
von Meß- und Referenzkanal möglich ist, wobei Meß- und Referenzstrecke weitgehend
unabhängig vom Ort ihres Anfangs gewählt werden können.
[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs
1 vorgesehen. Bevorzugt ist dabei die Ausführungsform nach Anspruch 2.
[0006] Erfindungsgemäß werden also zwei komplementär schaltbare Laserdioden auf der Sendeseite
für den Meß- bzw. Referenzkanal verwendet, während auf der Empfangsseite lediglich
ein einziges Photodiodenelement vorgesehen ist. Dadurch werden gegenüber einer Lösung
mit zwei Empfängern (Meß- und Referenzempfänger) bzw. einem elektrischen Referenzpfad
folgende Vorteile erzielt:
- Die Empfangsschaltung ist driftunempfindlich; Sperrschichtkapazitäts-bzw. Reaktionszeitänderungen
der im Empfang verwendeten Photodiode werden vom Referenzpfad erfaßt.
- Es ist ein einfacher Betrieb mit Avalanche-Photodioden möglich; eine temperaturabhängige
Spannungsnachführung verursacht Parameteränderungen der betreffenden Photodiode, welche
jedoch von dem Referenzpfad erfaßt werden. Erfindungsgemäß ist nur eine Avalanche-Photodiode
nötig.
- Das Signal-Rauschverhältnis wird verbessert; die Photodiodenkapazität kann erfindungsgemäß
in einen Schwingkreis hoher Güte eingebunden werden, während der Realteil (Transimpedanzwiderstand)
bei gleichzeitiger hoher Arbeitsfrequenz vergrößert wird. Eine Phasendrift wird vom
Referenzpfad erfaßt.
- Die Erzielung einer extrem hohen Übersprechdämpfung von Meß- und Referenzkanal ist
möglich; der jeweils ausgeschaltete Laser kann insbesondere dann, wenn er gemäß Anspruch
5 mit einer negativen Spannung beaufschlagt ist, schaltungsbedingt kein optisches
Signal aussenden. Die Übersprechdämpfung wird nur noch von der optischen Trennung
zwischen Meß- und Referenzstrecke bzw. von elektromagnetischen Einkopplungen des Senders
auf die Empfangseinrichtung bestimmt.
- Eine einfache Realisierung einer Kollimationsoptik für den Meßkanal ist auf diese
Weise möglich; es wird keine Strahlaufspaltung für einen Referenzpfad benötigt. Die
Referenzstrecke wird durch den Raum zwischen der Referenz-Laserdiode und der Empfangs-Photodiode
bestimmt.
- Die Halbleiterumschaltung kann erfindungsgemäß vereinfacht werden; an die Halbleiterschalter
werden in bezug auf die Sperrdämpfung keine hohen Anforderungen gestellt. Die Laufzeitdifferenzen
des Schaltelementes können durch gute Anpassung der parasitären Größen wie Serienwiderstand
und Sperrkapazität durch die Verwendung einer Doppeldiode sehr klein gehalten werden.
Die Umschaltung kann mit hohen Pegeln erfolgen, was störtechnisch von Vorteil ist.
- Es wird eine geringe Laufzeitdrift erzielt; für Meß- und Referenzkanal können bis
zur Diodenumschaltung gemeinsame Modulationspfade benutzt werden. Durch die hohe Modulationsbandbreite
von Meß- und Referenzlaser (1 GHz) und vergleichbare Betriebsbedingungen (Temperatur,
Arbeitspunkt) wird die resultierende Laufzeitdifferenz vernachlässigbar klein.
- Die beiden Laserdioden können räumlich so angeordnet werden, wie es eine optimale
Lichtführung auf Meß- und Referenzstrecke erfordert; beide Lichtwege können auf diese
Weise mit hoher Lichtenergie versorgt werden, wodurch äußere Störeinflüsse minimiert
werden.
[0007] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Ansprüche 3 und 4 gekennzeichnet.
[0008] Die besonders gute Sperrung der gerade inaktivierten Laserdiode kann durch die Maßnahmen
der Ansprüche 4 bis 6 weiter verbessert werden.
[0009] Die Ansprüche 7 bis 9 beschreiben vorteilhafte Ausführungsbeispiele für die Schaltung
und Regelung der Laserdioden.
[0010] Bevorzugte Ausführungsformen für die Hochfrequenzschaltung sind durch die Ansprüche
10 bis 12 definiert.
[0011] Eine besonders zweckmäßige Intensitätsregelung für die Laserdioden ergibt sich aus
Anspruch 13.
[0012] Dieses Ausführungsbeispiel wird zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 14 weitergebildet.
[0013] Die Erfindung betrifft also eine Vorrichtung zur Selbstkalibrierung von Distanzmeßvorrichtungen
nach dem Laufzeitverfahren.
[0014] Erfindungsgemäß wird eine laufzeitneutrale, elektronische Umschaltung zwischen einem
Meßweg und einem Referenzweg durch zwei optoelektronische Sender, vorzugsweise Halbleiter-Laserdioden,
vorgesehen. Für die Umschaltvorrichtung können Halbleiterschalter, insbesondere Schalterdioden,
verwendet werden. Wird der jeweilige Laser vom Arbeitsstromkreis getrennt, so sorgt
eine Schalterdiode gleichzeitig für eine Entkopplung vom Modulationskreis mit der
entsprechenden Hochfrequenzinformation. Um im ausgeschalteten Zustand jegliche Lichtemission
mit Modulationsanteil zu unterbinden, wird dem Laser eine Hilfsspannung in Sperrichtung
zugeführt. Der aktive Schaltvorgang wird über zwei Hilfsschalter, vorzugsweise Transistorschalter,
im niederfrequenten Teil des Regelkreises ausgelöst. Diese können gleichzeitig als
Stellglieder eines beiden Lasern gemeinsamen PI-Reglers herangezogen werden. Der Regelkreis
wird über eine Stromsummenschaltung beider Monitordioden geschlossen.
[0015] Erfindungsgemäß werden also die Nachteile, wie sie bei einer Referenznahme durch
einen Referenzempfänger entstehen würden, vermieden. Die hohe Modulationsbandbreite
der Laserdioden in Verbindung mit Diodenschaltern ermöglicht eine gute Laufzeitkonstanz
und damit eine geringe Offsetdrift der Selbstkalibrierung. Durch Wegfall des einen
Referenzempfängers kann der Empfangspfad schmalbandig (selektiv) und damit unempfindlicher
gegenüber äußeren Störeinflüssen bzw. Rauschen gemacht werden. Die Detektivität kann
dadurch verbessert werden.
[0016] Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben;
in dieser zeigt:
- Fig. 1
- eine blockschaltbildartige Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Abstandsmeßgerätes,
- Fig. 2
- eine etwas detailliertere, schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Lichtsenders
und
- Fig. 3
- ein Schaltbild des in Fig. 2 nur schematisch dargestellten Lichtsenders.
[0017] Nach Fig. 1 erzeugt ein Mutteroszillator 43 eine Frequenz von z.B. 10 MHz, die über
einen Phasenvergleicher 44 einem variablen Oszillator 45 zugeführt ist, der an einen
Digital-Phasenshifter 46 angeschlossen ist. Der eine Ausgang P' des Digital-Phasenshifters
46 ist zum zweiten Eingang des Phasenvergleichers 44 zurückgeführt, wodurch eine Phase
Lock Loop gebildet wird, aufgrund der der variable Oszillator eine Frequenz von 300
MHz an den Digital-Phasenshifter 46 abgibt. Die Frequenzeinstellung kann dadurch herbeigeführt
werden, daß dem Phasenvergleicher 44 bei 87 von einem Mikroprozessor 16 ein geeignetes
Frequenzeinstellungssignal zugeführt wird.
[0018] Das Ausgangssignal P' des Digital-Phasenshifters 46 wird außerdem dem einen Eingang
einer Mischstufe 47 zugeführt, die dieses Signal mit einem von einem Lichtempfänger
12 kommenden Signal additiv oder multiplikativ mischt.
[0019] An den Ausgang der Mischstufe 47 ist ein Approximationsfilter 48 angeschlossen, welches
besonders schmalbandig ist. An seinem Ausgang erscheint das Integral PxP', wobei P
das vom Digital-Phasenshifter 46 zu einem Lichtsender 11 abgegebene Lichtwellenzug-Signal
ist. Die Phaseneinstellung des Digital-Phasenshifters 46 erfolgt bei 88 vom Mikroprozessor
16 aus.
[0020] Im Digital-Phasenshifter 46 werden zeitlich nacheinander vier im 90°- Raster einstellbare
Phasenpaare mit einer Frequenz von 75 MHz erzeugt und als entsprechende Wellenzugsignale
P bzw. P' an den Sender 11 bzw. den Mischer 47 weitergeleitet.
[0021] Im Sender 11, der vom Mikroprozessor 16 bei 89 mit Helligkeitssollwerten und bei
90 mit Schaltsignalen in der weiter unten beschriebenen Weise gesteuert wird, sind
zwei vom Mikroprozessor 16 über den Anschluß 89 komplementär geschaltete Laserdioden
18, 19 vorgesehen, von denen die eine (18) über eine Meßstrecke 14 einen hochfrequent
modulierten Lichtwellenzug zu einem Ziel 13 aussendet, von welchem das Licht zum unmittelbar
neben dem Lichtsender 11 angeordneten Empfänger 12 zurückreflektiert wird, in welchen
nur eine einzige Photodiode 20 angeordnet ist, die sowohl das Licht von der Meßstrecke
14 als auch von einer im gleichen Gehäuse 17 wie Lichtsender 11 und Lichtempfänger
12 untergebrachten Referenzstrecke 15 empfängt, die durch die zweite Laserdiode 19
beschickt wird. Im Lichtempfänger 12 befindet sich auch ein Verstärker, dessen Ausgangssignal
an die Mischstufe 47 angelegt ist.
[0022] Die Empfangskreisabstimmung im Empfänger 12 wird bei 91 vom Mikroprozessor 16 vorgenommen.
Weiter führt vom Lichtempfänger 12 eine Steuerleitung 92 zum Mikroprozessor 16, aufgrund
der von diesem die Dynamikauswertung vorgenommen wird.
[0023] Auch das Approximationsfilter 48 wird über eine Steuerleitung 93 vom Mikroprozessor
16 beaufschlagt und bezüglich seiner Bandbreite gesteuert.
[0024] Der Ausgang des Approximationsfilters 48 ist über eine Analog-Digital-Schaltung 49
an den Mikroprozessor 16 angelegt, welcher die Signalauswertung in der folgenden Weise
durchführt:
[0025] Jeder der vom Digital-Phasenshifter 46 abgegebenen und jeweils um 90° zueinander
phasenversetzten Wellenzüge wird einmal direkt (P') auf den einen Eingang der Mischstufe
47 und zum anderen bei P über den Sender 11 und abwechselnd die Meßstrecke 14 oder
die Referenzstrecke 15 sowie den Lichtempfänger 12 an den anderen Eingang der Meßstufe
47 gegeben, wo eine Multiplikation mit dem Signal P' stattfindet. Aufgrund der Phasenverschiebung
zwischen den über die Meßstrecke 14 und den über die Referenzstrecke 15 gegangenen
Lichtwellenzüge werden am Ausgang des Approximationsfilters verschiedene Phasensignale
erscheinen, aus denen auf die unterschiedlichen Laufzeiten der Lichtwellenzüge über
die Meßstrecke 14 einerseits und die Referenzstrecke 15 andererseits geschlossen werden
kann, was im Mikroprozessor 16 ausgewertet wird. Unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit
kann so der Abstand des Gehäuses 17 vom Ziel 13 ermittelt werden.
[0026] Erfindungsgemäß ist im Lichtempfänger 12 nur eine einzige sowohl von der Meßstrecke
14 als auch von der Referenzstrecke 15 her beaufschlagte Photodiode 20 vorgesehen.
[0027] Nach Fig. 2 besitzt der Lichtsender 11 zwei Laserdioden 18, 19, von denen die eine
die Meßstrecke 14 und die andere die Referenzstrecke 15 mit einem gebündelten Lichtstrahl
versorgt.
[0028] Nach Fig. 2 sind die Laserdioden 18, 19 mit ihren Pluspolen über jeweils einen Hilfsschalter
21, 22 mit zugeordnetem Regler bei 23 an eine positive Speisegleichspannungsquelle
mit einer Spannung von beispielsweise +5,2 V angeschlossen.
[0029] Die negativen Pole der Laserdioden 18, 19 sind über einen Hochfrequenzschalter 24
bzw. 25 an eine geerdete Induktivität 33 angelegt, die Teil eines Hochpasses bildet,
zu dem auch ein Kondensator 34 gehört, der von schematisch angedeuteten Hochfrequenz-Modulationsspannungsklemmen
26, 27 beaufschlagt ist, denen die Wellenzugsignale P (Fig.1) zugeführt werden.
[0030] An den positiven Pol der Laserdioden 18, 19 ist über jeweils einen hochohmigen Widerstand
29 bzw. 30 und eine Klemme 28 eine negative Hilfsspannung von z.B. -12 V angeschlossen.
[0031] Die Hilfsschalter mit Regelung 21, 22 werden über an Klemmen 18 bzw. 19 angelegte
Schaltsignale komplementär zueinander geschaltet. Wenn - wie in Fig. 2 dargestellt
- der Schalter 21 geschlossen ist, dann ist der andere Schalter 22 offen und umgekehrt.
[0032] Jeder Laserdiode 18, 19 ist eine Monitordiode 18' bzw. 19' zugeordnet, die abwechselnd
einen PI-Regler 41 ansteuern, dem außerdem von den Schaltklemmen 18 bzw. 19 entsprechend
der Stellung der Hilfsschalter 21, 22 abwechselnd zugeschaltete Sollwerte S1 bzw.
S2 zugeführt sind.
[0033] Der PI-Regler 41 gibt bei 94, 95 Regelsteuersignale für den Regelteil der Schalter
21, 22 ab. Auf diese Weise kann der Strom zu den Laserdioden 18, 19 so eingeregelt
werden, daß die Lichtintensität der Laserdioden 18, 19 konstant ist. Über die Sollwertzuführung
S1, S2 kann weiter dafür gesorgt werden, daß einer Degradation der Laserdioden 18,
19 durch eine stärkere öffnung der Regler der Schalter 21, 22 entgegengewirkt wird.
Auch Voreinstellungen bestimmter Lichtintensitäten sind durch eine Veränderung der
Sollwerte S1 und S2 möglich.
[0034] Kondensatoren 35, 37 zwischen den Pluspolen der Laserdioden 18, 19 und Masse stellen
einen Hochpaß für die über die Diodenschalter 24, 25 zugeführte Hochfrequenz-Modulationsspannung
dar.
[0035] Die Schaltung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt:
Über die Schaltklemmen 18, 19 werden Schaltsignale für die Schalter 21, 22 in der
Weise zugeführt, daß stets der eine Schalter geschlossen, der andere offen ist. Synchron
damit werden auch die Hochfrequenzschalter 24, 25 geschlossen bzw. geöffnet, was durch
gestrichelte Kopplungslinien 96, 97 angedeutet ist. Sofern die Schalter 21, 24 (siehe
linke Darstellung in Fig. 2) geschlossen sind, liegt die zugeordnete Laserdiode 18
zwischen der positiven Speisespannungsklemme 23 und Masse und wird daher eingeschaltet.
Über den Hochpaß 33, 34, 35 wird gleichzeitig der durch die Laserdiode 18 fließende
Gleichstrom mit einer entsprechenden Hochfrequenzspannung von z.B. 75 MHz moduliert.
[0036] Nachdem auf diese Weise viele Lichtwellenzüge geeigneter Länge über die Meßstrecke
14 zur Empfangsdiode 20 (Fig.1) geschickt worden sind, schaltet das Schaltsignal an
der Schaltklemme 18 den Schalter 21 und damit auch den Schalter 24 in die Offenstellung
zurück, während ein komplementäres Schaltsignal an der Schaltklemme 19 den Schalter
mit Regler 22 sowie den Hochfrequenzschalter 25 schließt. Nunmehr setzt sich das Arbeitsspiel
an der Laserdiode 19 entsprechend fort, und die Lichtwellenzüge werden über die Referenzstrecke
15 (Fig. 1) geschickt.
[0037] Je nachdem, welche Laserdiode (18 oder 19) aktiv ist, gibt die zugeordnete Monitordiode
18' oder 19' über eine gemeinsame Leitung 98 ein Istwert-Signal an den PI-Regler 41
ab. Gleichzeitig sorgen die Schaltsignale an den Schaltklemmen 18, 19 dafür, daß auch
das der betreffenden Laserdiode 18 oder 19 zugeordnete Sollwertsignal S1 oder S2 dem
PI-Regler zugeleitet wird, welches dann den Regler des betreffenden Schalters 21 oder
22 entsprechend so einstellt, daß die Laserdioden 18, 19 mit einer vorbestimmten Intensität
Lichtwellenzüge abgeben.
[0038] Ein nach dem Prinzipschaltbild der Fig. 2 arbeitendes Schaltungsbeispiel wird im
folgenden anhand von Fig. 3 erläutert.
[0039] Die beiden Laserdioden 18, 19 sind einerseits über einen Schalt-Regeltransistor 21
bzw. 22 und einen in dessen Emitterkreis eingeschalteten Widerstand 50, 51 an die
auf einem Potential von +5,2 V liegende positive Speisegleichspannungsklemme 23 angelegt.
Der negative Pol der Laserdioden 18, 19 ist andererseits über jeweils eine einen Hochfrequenzschalter
bildende in der gleichen Richtung wie die Laserdioden 18, 19 eingeschaltete Schaltdiode
24 bzw. 25 und eine gemeinsame Induktivität 32 an Masse angelegt, deren Potential
über eine Klemme 52 zugeführt ist.
[0040] Die Induktivität 33 ist Bestandteil eines auch einen Kondensator 34 aufweisenden
Hochpaßfilters, welches über einen Widerstand 53 an eine Modulationstreiberstufe 54
angeschlossen ist, die aus zwei mittels der Basen miteinander verbundenen Transistoren
und den zugeordneten Widerständen besteht und ebenfalls zwischen Masse und die Speisegleichspannungsklemme
23 geschaltet ist. Ein Kondensator 55 sowie eine Induktivität 56 bewirken eine Fernhaltung
der Hochfrequenzmodulationsspannung von der Speisegleichspannungsleitung. An den Emitter
des einen Transistors der Treiberstufe 54 ist über einen Widerstand 57 und einen Kondensator
58 die Ausgangsspannung eines Übertragers 59 angeschlossen, dessen Eingangswicklung
über ein Potentiometer 60 an die Hochfrequenz-Modulationsspannungsklemmen 26, 27 angelegt
ist, der die Wellenzugsignale P (Fig.1) zugeführt sind. Die positive Zuleitung zu
den Laserdioden 18, 19 ist über Hochfrequenz-Ableitungskondensatoren 35, 36 bzw. 37,
38 an Masse und über hochohmige Widerstände 29 bzw. 30 an eine Klemme 28 für die Zuführung
einer Hilfsspannung von -12 V angelegt.
[0041] Der Verbindungspunkt zwischen den Laserdioden 18, 19 und den zugeordneten Schaltdioden
24, 25 ist über eine entgegen den Laserdioden 18, 19 geschaltete Hilfsdiode 61 bzw.
62 ebenfalls an die positive Zuleitung der Laserdioden 18, 19 angeschlossen. Der von
den Transistoren 21, 22 abgewandte Pol der Hilfsdioden 61, 62 ist außerdem über einen
Widerstand 63, 64 geerdet.
[0042] Jeder Laserdiode 18, 19 ist eine Monitordiode 18', 19' zugeordnet, die einerseits
an die positive Zuleitung und andererseits über in der gleichen Richtung wie die Dioden
24, 25 eingeschaltete Dioden 39, 40 gemeinsam an den Eingang des PI-Reglers 41 angelegt
sind, welcher zwei hintereinandergeschaltete Operationsverstärker 65 bzw. 66 enthält.
Die Betriebsspannungen werden in der dargestellten Weise von der auf -12 V liegenden
Klemme 28 und einer weiteren auf +12 V liegenden Klemme 67 abgeleitet. Der Minus-Eingangsklemme
des Operationsverstärkers 66 werden abwechselnd zwei Sollsignale S1, S2 zugeführt,
die über parallel geschaltete Sollwert-Einstellungspotentiometer 68 bzw. 69 und Schalttransistoren
70 bzw. 71 von einer eine exakte Konstantgleichspannung führenden Klemme 42 abgeleitet
sind. Die Gleichspannung wird den Potentiometern 68, 69 über Schalttransistoren 70,
71 zugeführt, die von den bei 18, 19 anliegenden Schaltsignalen synchron mit den Laserdioden
18, 19 geöffnet und geschlossen werden. Auf diese Weise wird beim Einschalten einer
jeden Laserdiode 18 oder 19 dem Eingang des Operationsverstärkers 66 gerade der für
die betreffende Laserdiode vorgesehene Sollwert S1 oder S2 zugeführt.
[0043] Der Ausgang des PI-Reglers 41 ist über Widerstände 72 bzw. 73 dem Kollektor eines
Schalttransistors 31 bzw. 32 zugeführt, der über eine Diode 74 bzw. 75 in der dargestellten
Weise an die positive Versorgungsgleichspannung +5,2 V angelegt ist. Die positive
Speisegleichspannungsleitung ist über einen Kondensator 76 zur weiteren Hochfrequenzentkopplung
geerdet.
[0044] Dem Kollektor der Schalttransistoren 31 bzw. 32 wird jeweils über einen Widerstand
77 bzw. 78 von den Klemmen 18 bzw. 19 die Schaltspannung für die Laserdioden 18, 19
zugeführt.
[0045] Die Emitter der Schalttransistoren 31, 32 sind über Kondensatoren 79 bzw. 80 und
Widerstände 81 bzw. 82 an die positive Gleichspannungsklemme 23 angelegt. Weiter ist
er mit der Basis des Transistors 21 bzw. 22 verbunden, dessen Emitter wie oben bereits
erwähnt über einen Widerstand 50 bzw. 51 an der positiven Speisegleichspannung +5,2
V liegt und dessen Kollektor mit der positiven Zuleitung für die Laserdioden 18 bzw.
19 verbunden ist.
[0046] Von den Emittern der Regel-Schalttransistoren 21 bzw. 22 wird über Widerstände 83
bzw. 84 eine Spannung abgegriffen und zu einer Klemme 85 geführt. Dieses Signal ist
für den durch die Laserdioden 18, 19 fließenden Strom repräsentativ und kann im Mikroprozessor
16 (Fig. 1) zur Überwachung des Regelkreises bezüglich Einhaltung der Laserschutzklasse
oder der Degradation beider Laser herangezogen werden. Zu diesem Zweck ist auch eine
weitere Überwachungsklemme 86 vorgesehen, die über einen Widerstand 87 an den Ausgang
des Operationsverstärkers 65 des PI-Reglers 41 angelegt ist. Da dieses Signal von
der Lichtbeaufschlagung der Monitordioden 18', 19' abhängig ist, ist es repräsentativ
für die Helligkeit der Laserdioden 18, 19 bei einem bestimmten angelegten Strom, der
wiederum an der Klemme 85 gemessen werden kann. Auf diese Weise kann der Mikroprozessor
16, an den die Klemmen 85, 86 angeschlossen sind, feststellen, wenn beispielsweise
für einen bestimmten Diodenstrom die Lichtleistung nachläßt, was dann bei der Auswertung
Berücksichtigung finden kann.
[0047] Die Funktion der beschriebenen Schaltung ist wie folgt:
Über die Laserdioden-Schaltklemmen 18 und 19 werden vom Mikroprozessor 16 abwechselnd
Einschaltsignale für die Laserdioden 18 bzw. 19 abgegeben, welche über die Schalttransistoren
31 bzw. 32 die Regel-Schalttransistoren 21, 22 öffnen, und zwar jeweils so, daß zu
einer Zeit immer nur einer der Transistoren 21 oder 22 geöffnet, der andere dagegen
geschlossen ist. Nunmehr wird über den Widerstand 50 der Laserdiode 18 oder über den
Widerstand 51 der Laserdiode 19 der für das Aufleuchten erforderliche Gleichstrom
zugeführt, der über die Schaltdioden 24 oder 25 und die Induktivität 33 nach Masse
abfließt.
[0048] Aufgrund der den Widerständen 29 bzw. 30 zugeführten negativen Spannung von -12 V
ist jeweils nur diejenige Schaltdiode 24 oder 25 geöffnet, deren Laserdiode 18 oder
19 über den zugeordneten Transistor 21 oder 22 eine positive Spannung zugeführt ist.
Hierdurch entfällt nämlich der von der negativen Spannung durch die Dioden 61 bzw.
62 und die Widerstände 63 bzw. 64 gezogenen Strom, welcher den positiven Pol der Schalttransistoren
24 oder 25 negativ gemacht hatte, so daß die betreffende Schaltdiode sperrte. Die
Schaltdioden 24, 25 öffnen und schließen also synchron mit den zugehörigen Laserdioden
18, 19.
[0049] Sobald eine Laserdiode z.B. 18 aktiv ist, kann über die nunmehr offene Schaltdiode,
z.B. 24, vom Hochpaß 33, 34 her die bei 26, 27 angelegte Hochfrequenz-Modulationsspannung
zu der zugeordneten Laserdiode, z.B. 18, gelangen. Sie wird über die Kondensatoren
35, 36 oder 37, 38 nach Masse abgeführt. Auf diese Weise erfolgt die Modulation der
Laserdioden 18, 19, während sie von einer sie zum Leuchten bringenden Gleichspannung
beaufschlagt sind. Die Modulationstiefe ist so groß, daß die Dioden während der Modulation
in Rhythmus der zugeführten Hochfrequenz-Modulationsspannung erlöschen und wieder
aufleuchten und kann am Potentiometer 60 eingestellt werden.
[0050] Aufgrund des Anschlusses des Kollektors der Transistoren 31, 32 an den Ausgang des
PI-Reglers 41 wird der Öffnungsgrad der Regel-Schalttransistoren 21 bzw. 22 gerade
so eingeregelt, daß die Laserdioden 18 bzw. 19 die an den Potentiometern 68 bzw. 69
eingestellte Lichtstärke annehmen. Die Regel-Schalttransistoren 21, 22 erfüllen also
eine Doppelfunktion als Stellglieder des Regelkreises wie auch als Schalter für die
Zu- und Abschaltung der Laserdioden 18, 19. Erfindungsgemäß führen also die Schaltdioden
24, 25 sowohl den Gleich-Laserstrom als auch den überlagerten Modulations-Hochfrequenzstrom.
Es handelt sich um Hochfrequenzschalter, weil sie beim Abschalten der zugeordneten
Laserdiode 18 oder 19 öffnen und beim Zuschalten von selbst wieder schließen.
[0051] Wesentlich ist auch noch, daß bei abgeschalteten Laserdioden 18 bzw. 19 die positiven
Zuleitungen die Laserdioden über die Widerstände 29, 30 an eine negative Hilfsspannung
angelegt sind, so daß in diesen Perioden eine die Laserdioden vollständig sperrende
Spannung an ihnen anliegt. Im abgeschalteten Zustand der Laserdioden 18 oder 19 liegt
jeweils ein Spannungsteiler über den Widerstand 63, die Diode 61 und den Widerstand
29 bzw. den Widerstand 64, die Diode 62 und den Widerstand 30 vor. Die Dioden 61,
62 begrenzen diese Hilfsspannung auf einen zulässigen Wert. Dadurch werden die gewünschten
Eigenschaften, nämlich insbesondere das Aufleuchten der Laserdioden nur in den gewünschten
Perioden unterstützt.
[0052] Die Helligkeit der beiden Laserdioden kann durch die Potentiometer 68 oder 69 voreingestellt
werden.
[0053] Die Regelbandbreite des PI-Reglers 41 ist sehr viel kleiner als die Modulationsfrequenz.
[0054] Während jeder Einschaltperiode einer der Laserdioden 18, 19 werden einige tausend
hochfrequenzmodulierte Lichtwellenzüge über die Meßstrecke 14 bzw. die Referenzstrecke
15 übertragen.
1. Abstandsmeßgerät mit einem photoelektrischen Lichtempfänger (12) und einem vorzugsweise
daneben angeordneten photoelektrischen Lichtsender (11), der hochfrequent modulierte
Lichtwellenzüge abwechselnd über eine Meßstrecke (14) und ein an deren Ende angeordnetes
reflektierendes Ziel (13), dessen Abstand vom Lichtsender (11)/ Lichtempfänger (12)
gemessen werden soll, und über eine vorzugsweise innerhalb des Gehäuses (17) zwischen
Lichtsender (11) und Lichtempfänger (12) vorgesehene Referenzstrecke (15) bekannter
Länge zu dem Lichtempfänger (12) schickt, sowie mit einer Auswerteelektronik, die
vorzugsweise einen Mikroprozessor (16) enthält und die vom Lichtempfänger (12) abwechselnd
empfangenen Lichtwellenzüge auf die Differenz der Laufzeit über die Meßstrecke (14)
einerseits und die Referenzstrecke (15) andererseits auswertet und daraus unter Berücksichtigung
der Lichtgeschwindigkeit und der bekannten Länge der Referenzstrecke (15) den Abstand
des Lichtsenders (11)/Lichtempfängers (12) vom Ziel (13) ermittelt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtsender (11) zwei elektronisch komplementär schaltbare, optoelektronische
Licht-Sendeelemente, insbesondere Licht-Sendehalbleiterelemente und vorzugsweise Laserdioden
(18, 19) enthält, von denen die eine (18) die Lichtwellenzüge auf die Meßstrecke (14),
die andere (19) die Lichtwellenzüge auf die Referenzstrecke (15) schickt, und daß
der Lichtempfänger (12) ein sowohl die Lichtwellenzüge von der Meßstrecke (14) als
auch die Lichtwellenzüge von der Referenzstrecke (15) empfangendes optoelektronisches
Licht-Empfangselement, insbesondere Licht-Empfangshalbleiterelement, vorzugsweise
Photodiodenelement (20) enthält, das an die Auswerteelektronik angeschlossen ist.
2. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtwellenzüge eine Wellenlänge in der Größenordnung des zu messenden Abstandes
aufweisen und die Auswerteelektronik die Phasendifferenz der Modulation der über die
Meßstrecke (14) und der über die Referenzstrecke (15) gegangenen Lichtwellenzüge mißt.
3. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserdioden (18, 19) durch komplementär schaltbare Hilfsschalter (21, 22)
an eine Speisegleichspannung (23) und durch vorzugsweise synchron mit den Hilfsschaltern
(21, 22) komplementär schaltbare Hochfrequenzschalter (24, 25) an die Hochfrequenz-Modulationsspannung
(26, 27) anschließbar sind.
4. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hilfsschalter (21, 22) in die positiven Zuleitungen und die Hochfrequenzschalter
(24, 25) in die negativen Zuleitungen zu den Laserdioden (18; 19) eingeschaltet sind.
5. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die jeweils abgeschaltete Laserdiode (18; 19) mit einer vorzugsweise negativen
Spannung (28) in Sperrichtung beaufschlagt ist.
6. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die positive Klemme jeder Laserdiode (18; 19) über einen größenordnungsmäßig höheren
Widerstand (29; 30) als der Widerstandswert der durchgeschalteten Laserdiode (18;
19) an eine vorzugsweise negative Sperr-Gleichspannung (28) angeschlossen ist.
7. Abstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die positive Klemme jeder Laserdiode (18; 19) über je einen den Hilfsschalter
bildenden Transistor (21, 22) an die positive Speisespannung (23) angeschlossen ist.
8. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Transistor (21; 22) sowohl von einem Schaltsignal (18, 19) als auch von einem
Regelsignal zur Einhaltung einer vorbestimmten Lichtintensität und vorzugsweise auch
zur Ausregelung von Laserdregadationen beaufschlagt ist.
9. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem kombinierten Schalt-Regel-Transistor (21; 22) ein vorzugsweise an seiner Basis
von dem Schaltsignal (18, 19) und vorzugsweise an seinem Kollektor von dem Regelsignal
beaufschlagter Schalttransistor (31; 32) vorgeschaltet ist.
10. Abstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die negative Zuleitung zu den Laserdioden (18; 19) als Hochfrequenzschalter
in der gleichen Richtung wie die Laserdioden (18; 19) gepolte Schaltdioden (24; 25)
eingeschaltet sind, welche gemeinsam über die Induktivität (33) eines von der Hochfrequenz-Modulationsspannung
(26, 27) beaufschlagten Hochpaßfilters (33, 34) an den negativen Pol der Speisespannung
bzw. Masse angelegt sind.
11. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbindungspunkt jeder Schaltdiode (24; 25) mit der Laserdiode (18; 19) bei
ausgeschalteter Laserdiode (18; 19) an einer negativen Spannung (28) liegt.
12. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der positiven Zuleitung der Laserdioden (18, 19) und dem negativen Pol
der Speisespannung bzw. Masse Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren (35, 36, 37,
38) eingeschaltet sind.
13. Abstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Laserdiode (18; 19) eine vorzugsweise integrierte Monitordiode (18'; 19')
zugeordnet ist, welche vorzugsweise über eine in gleicher Richtung wie die Schaltdioden
(24, 25) eingeschaltete Diode (39, 40) an den Eingang eines PI-Reglers (41) angeschlossen
ist, der vorzugsweise über die Schalt-Regel-Transistoren (21, 22; 31, 32) die Laserdioden
(18; 19) auf einen vorbestimmten Intensitätswert einregelt.
14. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem PI-Regler (41) auch ein die Degradation der Laserdioden (18; 19) berücksichtigendes
bzw. der Einstellung der Laserdiodenhelligkeit dienendes Sollwertsignal (42) zugeführt
wird, und zwar vorzugsweise für jede Laserdiode (18, 19) ein gesondertes Sollwertsignal
(S1, S2).